超流体中的巨型量子涡旋模拟黑洞效应

黑洞是宇宙中最极端的天体，其密度极高、引力极强，以至于连光都无法逃离它的吸引。黑洞的边界被称为事件视界，通常被称为黑洞的“表面”，这个边界内的一切都将不可避免地被黑洞吸收至中心奇点，而永远无法逃脱。因此，黑洞在视觉上是一片黑暗，而外界无法直接观测到其内部。研究黑洞对于我们理解广义相对论和量子力学至关重要，然而直接研究黑洞是一项困难的任务。

最近，发表于《自然》杂志上的一项研究在模拟黑洞效应方面取得了重大突破。研究人员成功地在超流体中创建了一个“巨型量子涡旋”，模拟了旋转黑洞周围时空的特征曲率。这一发展为进一步了解极端引力环境下的量子力学提供了巨大的希望。

在极低温下，氦会成为超流体。超流体是一种特殊的物质状态，其中原子或分子以一种几乎无阻力的方式流动。在超流体中存在着一种特殊的结构：量子涡旋。这些涡环在超流体中具有重要的作用，可以通过不同的方法来研究和观察。一般来说，这些涡环会相互分开并且不稳定，但在新研究中，这些量子涡旋被限制在一个巨型量子涡旋中，它可以稳定存在，这使我们能够模仿旋转黑洞附近的引力条件。

在模拟系统中，可以探索类似黑洞的行为，例如彭罗斯超辐射和准正态模振荡等现象。通过微调速度、容器几何形状或动态变化流参数等方式，可以在当前系统中探索旋转曲率时空中的关键过程。此外，还可以研究具有可调和真正量子化角动量的旋转曲率时空，这使得该系统与经典液体有所不同。

在测量方面，研究者提出了一种微创方法，通过检测在超流体界面传播的小波，从中提取宏观流动参数。他们利用适应性傅立叶变换剖面测量技术，能够在空间和时间上同时具有足够的分辨率来解析流体界面的高度波动。通过对高度波动场进行离散傅立叶变换，可以提取出不同的方位模式。同时，通过在时间上进行变换，可以研究波动的动态特性。

研究结果表明，只有一定频率的波才能在界面上传播，这些波在稳态下通过阻尼和散射来耗散能量。他们通过解方程，确定了在给定半径、方位数和背景速度下传播的最低频率，利用这一频率提取了底层速度场。通过对多个涡流配置进行重建，他们发现界面波与几乎完全环流的流动相互作用，这种流动具有特定的径向速度分布。

重要的是，这不是一个字面意义上的微型黑洞。相反，这是一个精心设计的实验，它复制了黑洞对时空影响的特定方面。虽然复制真实黑洞的全部复杂性仍然是一个遥远的目標，但这项工作为更深入地理解这些神秘物体和时空的基本性质打开了大门。在可控环境中研究这些现象的能力对未来基础物理学领域的发现具有巨大的潜力。